Блок пьезоэлементов геофизического скважинного излучателя

 

Изобретение относится к технической электроакустике и может найти применение в мощных геофизических излучателях для восстановления дебита скважин и акустического каротажа. Техническим результатом является повышение механической и электрической прочности электрического монтажа блока пьезоэлементов, его надежности, а также улучшение технологичности его изготовления и как следствие повышение механической и электрической прочности и технологичности всего скважинного геофизического излучателя. Сущность: блок пьезоэлементов состоит из отдельных пьезокерамических шайб, имеющих собственные электроды, электрический монтаж которых выполнен посредством монтажных электродов, конформных собственным электродам пьезокерамических шайб. Монтажные электроды пьезокерамических шайб одной полярности выполнены в виде первой и второй единой металлической ленты, участки каждой из которых, конформные собственным электродам пьезокерамических шайб, чередуются с участками прямоугольной формы. Между двумя собственными электродами пьезокерамических шайб одной полярности расположен один участок металлической ленты, конформный собственному электроду пьезокерамической шайбы. Прямоугольные участки каждой металлической ленты образуют арки, расположенные на боковой поверхности блока пьезоэлементов геофизического скважинного излучателя. Для уменьшения вероятности электрического пробоя арки, образованные перемычками первой и второй монтажной пластины, могут быть развернуты друг относительно друга в плоскости электродов на 90^o. Для повышения механической прочности области под арками рекомендуется заполнить компаундом, имеющим адгезию к поверхностям металлических лент и пьезокерамических шайб. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к технической электроакустике и может найти применение в мощных геофизических излучателях для восстановления дебита скважин и акустического каротажа.

Известны геофизические скважинные излучатели, содержащие заключенные в металлический корпус, заполненный электроизоляционной жидкостью, блоки пьезоэлементов, расположенные по оси корпуса [1], [2]. Блоки пьезоэлементов таких излучателей, как правило, собраны из плоских пьезоэлементов в виде круглых шайб, стянутых для повышения прочности центральной армирующей стяжкой, и имеющих накладки на торцах. Такие блоки пьезоэлементов работают на продольном пьезоэффекте [1], [2], совершая механические колебания вдоль оси, перпендикулярной плоскости пьезокерамических шайб.

Скважинные геофизические излучатели должны иметь высокую механическую и электрическую прочность, большой ресурс и минимальный радиальный размер, обусловленный размером скважины. Эти требования накладывают определенные ограничения на конструирование электрического монтажа отдельных пьезоэлементов, который должен быть механически и электрически прочным, надежным и технологичным. По технической сущности наиболее близким предлагаемому является блок пьезоэлементов по патенту [3]. Такой блок пьезоэлементов содержит пьезокерамические шайбы, имеющие собственные электроды, нанесенные на их плоские поверхности вжиганием серебра, чередующиеся с тонкими латунными монтажными электродами, конформными собственным электродам пьезокерамических шайб. Шайбы и монтажные электроды склеены между собой в единый стержневой блок, армированный стяжкой и имеющий на торцах металлические накладки. Монтажные электроды имеют лепестки, выступающие за наружную боковую поверхность блока пьезоэлементов. К лепесткам припаяны монтажные провода, соединяющие положительные и отрицательные монтажные электроды в соответствии с полярностью собственных электродов пьезокерамических шайб.

Такая конструкция электрического монтажа является в настоящее время общепринятой для стержневых пьезоэлектрических излучателей. Таким же образом на практике выполнен монтаж блоков пьезоэлементов, применяемых в геофизических скважинных излучателях, в том числе и по патенту [2].

Недостатком блока пьезоэлементов прототипа является его малая надежность и долговечность в режиме излучения большой акустической мощности, а также низкая технологичность выполнения монтажа. Действительно, при работе излучателя лепестки монтажных электродов испытывают значительные механические нагрузки, вызванные силами инерции. В результате лепестки монтажных электродов ломаются, в зазоре возникает электрическая дуга (рабочее электрическое напряжение на блоке пьезоэлементов составляет 1-2 кВ), продукты горения попадают между положительным и отрицательным электродами пьезоэлемента, что вызывает электрический пробой и выход из строя блока пьезоэлементов и, следовательно, всего излучателя. Кроме того, если учесть, что все операции пайки выполняются вручную и возможность появления низкокачественного контактного узла достаточно велика, вероятность электрического пробоя увеличивается. К тому же выполнение паек вручную затрудняет минимизацию радиального размера блока пьезоэлементов, что особенно важно для скважинных геофизических излучателей, радиальный габарит которых строго ограничен, а излучаемая мощность (объем активного материала) и подводимая электрическая мощность должны быть максимально возможными.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, то есть повышение механической и электрической прочности электрического монтажа блока пьезоэлементов, повышение его надежности, а также повышение технологичности изготовления блока пьезоэлементов и как следствие повышение механической и электрической прочности и технологичности всего скважинного геофизического излучателя.

Для решения поставленной задачи в блок пьезоэлементов геофизического скважинного излучателя, состоящего из отдельных пьезокерамических шайб, имеющих собственные электроды, электрический монтаж которых выполнен посредством монтажных электродов, конформных собственным электродам пьезокерамических шайб, соединяющих собственные электроды пьезокерамических шайб одной полярности, с подсоединенными к ним токоподводящими проводами, а также торцевые излучающие накладки и армирующую стяжку, введены новые признаки, а именно монтажные электроды, соединяющие собственные электроды пьезокерамических шайб одной полярности, выполнены в виде первой и второй единой металлической ленты, участки каждой из которых конформны собственным электродам пьезокерамических шайб, чередуются с участками прямоугольной формы, при этом между двумя собственными электродами пьезокерамических шайб одной полярности расположен один участок металлической ленты, конформный собственному электроду пьезокерамической шайбы, а прямоугольные участки каждой металлической ленты образуют арки, расположенные на противоположных боковых поверхностях блока пьезоэлементов геофизического скважинного излучателя.

Одна из металлических лент электрически соединяет отрицательные поверхности электродов пьезокерамических шайб, другая - положительные. В результате оказывается, что для подключения всех пьезокерамических шайб достаточно подсоединить к каждой металлической ленте по одному транзитному токоведущему проводу.

Для уменьшения вероятности электрического пробоя арки, образованные перемычками первой и второй монтажной пластины, могут быть развернуты друг относительно друга в плоскости электродов на девяносто градусов.

Для повышения механической прочности области под арками рекомендуется заполнить компаундом, имеющим адгезию к поверхностям металлических лент и пьезоэлементов.

Техническим результатом от использования предложенного изобретения является замена паяного монтажа в блоке, содержащем n пьезоэлементов, и соответственно n+1 монтажных электродов, соединенных между собой монтажными проводами с таким же количеством паек, всего двумя монтажными электродами в виде металлических лент. При сборке блока пьезоэлементов эти металлические ленты, будучи соответственно изогнутыми, обеспечивают электрическое соединение собственных электродов шайб одной полярности, тем самым исключая необходимость паек и монтажных проводов. Это дает повышение электрической и механической прочности блока, упрощает его сборку и как следствие позволяет минимизировать радиальный габарит прибора и повысить его надежность.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1 и 2, где на фиг.1 представлена конструкция предлагаемого блока пьезоэлементов, а на фиг.2 показана конструкция металлической ленты в плане.

Блок пьезоэлементов представляет собой механически единый цилиндрический стержень, который содержит следующие основные детали: пьезокерамические шайбы 1, монтажные пластины 2, армирующую стяжку с гайками 3, металлические торцевые накладки 4. К каждой металлической ленте присоединен один транзитный провод 5 электрического питания.

Механическая монолитность и механическая прочность блока обеспечивается склеиванием деталей 1,2,4 и сжатием их с помощью стяжки 3.

Пьезокерамические шайбы 1, число которых в блоке обычно составляет 10 - 20 штук, имеют посеребренные торцевые поверхности (собственные электроды). Пьезокерамические шайбы предварительно заполяризованы в направлении, перпендикулярном торцевым поверхностям. Для обеспечения возбуждения механических колебаний блока пьезокерамические шайбы в нем установлены так, чтобы их однополярные плоскости электрически контактировали друг с другом через соответствующие участки металлических лент. Контакт обеспечивается либо применением токопроводящего клея, либо путем вкрапления токопроводящего клея в основной клей.

Электрический монтаж в блоке пьезоэлементов осуществлен с помощью двух единых металлических лент, форма которых в их плоскости предcтавлена на фиг. 2. Металлические ленты изготовлены из гибкой отожженной листовой латуни Л-62 толщиной 0,15-0,2 мм. По форме они состоят из участков двух геометрических типов: первый участок 6 полностью конформен плоской поверхности пьезокерамической шайбы, второй участок 7 имеет прямоугольную форму. При сборке блока пластину изгибают, конформные участки пластины закладывают между однополярными поверхностями шайб, а прямоугольные участки при этом образуют над боковой поверхностью пьезоблока арки, выполняющие роль электрических перемычек между однополярными поверхностями шайб. Для повышения механической прочности арок при колебаниях подарочные пространства могут быть заполнены высокопрочным и высокоадгезионным компаундом. По технологическим соображениям ленты при сборке разворачивают друг относительно друга так, чтобы арки пластин разной полярности оказались повернутыми в плоскости пьезокерамической шайбы друг относительно друга на 90^o.

Выбор геометрических размеров перемычек производится на основе следующих соображений. Ширина перемычки должна быть такой, чтобы ее поперечное сечение было не меньше, чем сечение жилы транзитного провода. Длина перемычки должна быть такой, чтобы высота образующейся арки исключала электрический пробой с арки на противоположный электрод пьезокерамической шайбы. Для повышения электрической прочности подарочное пространство заполняют специальным электрически прочным диэлектриком. Высота арки должна также обеспечивать безопасное расстояние между поверхностью арки и заземленными частями корпуса прибора. Опыт конструирования показывает, что для выбора длины перемычки достаточно, чтобы ее длина была больше в 2,2 - 2,4 раза толщины пьезокерамической шайбы. Более точно длина перемычки может быть вычислена, если задана высота арки и ее пролет.

В конструкциях геофизических излучателей используется обычно несколько блоков пьезоэлементов, установленных соосно с определенным расстоянием между торцевыми накладками. Блоки пьезоэлементов заключены в герметичный корпус, заполненный электроизоляционной жидкостью. Участки корпуса между торцевыми накладками соседних блоков пьезоэлементов делаются акустически прозрачными.

Работа блоков пьезоэлементов осуществляется следующим образом. Через транзитные провода на блоки пьезоэлементов подается электрический сигнал, как правило, гармонического типа. В результате обратного пьезоэффекта пьезокерамические шайбы деформируются, и блоки пьезоэлементов начинают совершать механические колебания, адекватные электрическому сигналу. Передние накладки соседних блоков возбуждают акустические колебания жидкого объема между ними. Через акустические окна в корпусе эти колебания возбуждают колебания внутрискважинного пространства и далее всей геофизической среды.

Благодаря предложенной конструкции электрического монтажа блока пьезоэлементов становится возможным увеличить подаваемые на него рабочие электрические напряжения, не опасаясь за механическую прочность электрического монтажа и механическую прочность блока пьезоэлементов. Тем самым создается возможность повышения интенсивности колебаний блока пьезоэлементов и соответственно акустической мощности геофизического скважинного излучателя, с большей надежностью гарантировать ресурс его работы, а также снизить затраты при изготовлении блоков пьезоэлементов.

ЛИТЕРАТУРА 1. Патент США 4305140, кл. Н 04 К1/44, 1981.

2. Патент РФ 2047280, кл. 6 Н 04 К1/44, 1994.

3. Патент США 3328751 Н.кл. 340-10 (прототип).

Формула изобретения

1. Блок пьезоэлементов геофизического скважинного излучателя, состоящий из отдельных пьезокерамических шайб, имеющих собственные электроды, электрический монтаж которых выполнен посредством монтажных электродов, конформных собственным электродам пьезокерамических шайб, соединяющих собственные электроды пьезокерамических шайб одной полярности, подсоединенные к ним токоподводящие провода, а также торцевые излучающие накладки и армирующую стяжку, отличающийся тем, что монтажные электроды, соединяющие собственные электроды пьезокерамических шайб одной полярности, выполнены в виде первой и второй единой металлической ленты, участки каждой из которых, конформные собственным электродам пьезокерамических шайб, чередуются с участками прямоугольной формы, при этом между двумя собственными электродами пьезокерамических шайб одной полярности расположен один участок одной металлической ленты, конформный собственному электроду пьезокерамической шайбы, а прямоугольные участки каждой металлической ленты образуют арки на боковых поверхностях блоков пьезоэлементов.

2. Блок пьезоэлементов по п. 1, отличающийся тем, что арки, образованные прямоугольными участками первой и второй металлических лент, развернуты друг относительно друга в плоскости электродов на 90^o.

3. Блок пьезоэлементов по п. 1 или 2, отличающийся тем, что области между внутренней поверхностью каждой арки и соответствующей боковой поверхностью блока пьезоэлемента заполнены компаундом, адгезионно связанным с этими поверхностями.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2